Lasery półprzewodnikowe to generatory kwantowe oparte na półprzewodnikowym ośrodku aktywnym, w którym wzmocnienie optyczne jest wytwarzane przez stymulowaną emisję podczas przejścia kwantowego między poziomami energii przy wysokim stężeniu nośników ładunku w wolnej strefie.
Laser półprzewodnikowy: zasada działania
W stanie normalnym większość elektronów znajduje się na poziomie wartościowości. Gdy fotony dostarczają energię przekraczającą energię strefy nieciągłości, elektrony półprzewodnika wchodzą w stan wzbudzenia i po pokonaniu strefy zabronionej przechodzą do strefy wolnej, koncentrując się na jej dolnej krawędzi. Jednocześnie otwory powstałe na poziomie walencyjnym wznoszą się do jego górnej granicy. Elektrony w strefie swobodnej rekombinują z dziurami, wypromieniowując energię równą energii strefy nieciągłości w postaci fotonów. Rekombinację można wzmocnić fotonami o wystarczającym poziomie energii. Opis liczbowy odpowiada funkcji rozkładu Fermiego.
Urządzenie
Urządzenie laserowe półprzewodnikoweto dioda laserowa pompowana energią elektronów i dziur w strefie p-n-złączowej - miejscu styku półprzewodników o przewodności typu p i n. Ponadto istnieją lasery półprzewodnikowe z doprowadzeniem energii optycznej, w których wiązka formowana jest poprzez pochłanianie fotonów światła, a także kwantowe lasery kaskadowe, których działanie opiera się na przejściach w pasmach.
Skład
Standardowe połączenia stosowane zarówno w laserach półprzewodnikowych, jak i innych urządzeniach optoelektronicznych są następujące:
- arsenek galu;
- fosforek galu;
- azotek galu;
- fosforek indu;
- arsenek indowo-galowy;
- arsenek glinowo-galowy;
- azotek arsenku galu i indu;
- fosforek galu i indu.
Długość fali
Te związki są półprzewodnikami o bezpośredniej przerwie. Światło pośrednie (krzemowe) nie emituje z wystarczającą siłą i wydajnością. Długość fali promieniowania lasera diodowego zależy od stopnia zbliżenia energii fotonu do energii strefy nieciągłości danego związku. W 3- i 4-składnikowych związkach półprzewodnikowych energia strefy nieciągłości może stale zmieniać się w szerokim zakresie. Dla AlGaAs=AlxGa1-xAs, na przykład, wzrost zawartości glinu (wzrost x) powoduje wzrost energia strefy nieciągłości.
Podczas gdy najpopularniejsze lasery półprzewodnikowe działają w bliskiej podczerwieni, niektóre emitują kolory czerwony (fosforan indowo-galowy), niebieski lub fioletowy (azotek galu). Promieniowanie w średniej podczerwieni jest wytwarzane przez lasery półprzewodnikowe (selenek ołowiu) i kwantowe lasery kaskadowe.
Półprzewodniki organiczne
Oprócz wyżej wymienionych związków nieorganicznych można również stosować związki organiczne. Odpowiednia technologia jest wciąż w fazie rozwoju, ale jej opracowanie może znacznie obniżyć koszty produkcji generatorów kwantowych. Do tej pory opracowano tylko lasery organiczne z zasilaniem w energię optyczną, a wysoce wydajne pompowanie elektryczne nie zostało jeszcze osiągnięte.
Odmiany
Utworzono wiele laserów półprzewodnikowych, różniących się parametrami i stosowaną wartością.
Małe diody laserowe wytwarzają wysokiej jakości wiązkę promieniowania krawędziowego o mocy od kilku do pięciuset miliwatów. Kryształ diody laserowej to cienka prostokątna płytka, która służy jako falowód, ponieważ promieniowanie jest ograniczone do niewielkiej przestrzeni. Kryształ jest domieszkowany po obu stronach, aby utworzyć połączenie p-n o dużej powierzchni. Polerowane końce tworzą optyczny rezonator Fabry-Perot. Foton przechodzący przez rezonator spowoduje rekombinację, promieniowanie wzrośnie i rozpocznie się generacja. Używany we wskaźnikach laserowych, odtwarzaczach CD i DVD oraz komunikacji światłowodowej.
Monolityczne lasery o małej mocy i generatory kwantowe z zewnętrznym rezonatorem do tworzenia krótkich impulsów mogą powodować blokowanie trybu.
Laserypółprzewodnik z rezonatorem zewnętrznym składa się z diody laserowej, która pełni rolę ośrodka wzmacniającego w składzie większego rezonatora laserowego. Są zdolne do zmiany długości fal i mają wąskie pasmo emisji.
Iniekcyjne lasery półprzewodnikowe mają obszar emisji w postaci szerokiego pasma, mogą generować wiązkę niskiej jakości o mocy kilku watów. Składają się z cienkiej warstwy aktywnej znajdującej się pomiędzy warstwą p i n, tworzącą podwójne heterozłącze. Nie ma mechanizmu utrzymywania światła w kierunku poprzecznym, co skutkuje wysoką eliptycznością wiązki i niedopuszczalnie wysokimi prądami progowymi.
Potężne listwy diodowe, składające się z szeregu diod szerokopasmowych, są w stanie wytworzyć wiązkę średniej jakości o mocy dziesiątek watów.
Potężne dwuwymiarowe układy diod mogą generować moc w setkach i tysiącach watów.
Lasery powierzchniowo emitujące (VCSEL) emitują wysokiej jakości wiązkę światła o mocy kilku miliwatów prostopadle do płyty. Zwierciadła rezonatorowe są nakładane na powierzchnię promieniowania w postaci warstw o długości ¼ fali o różnych współczynnikach załamania. Na jednym chipie można wykonać kilkaset laserów, co otwiera możliwość masowej produkcji.
Lasery VECSEL z zasilaczem optycznym i zewnętrznym rezonatorem są w stanie generować wiązkę dobrej jakości o mocy kilku watów w trybie blokowania.
Działanie kwantowego lasera półprzewodnikowegotyp kaskadowy opiera się na przejściach w obrębie stref (w przeciwieństwie do międzystrefowych). Urządzenia te emitują w średniej podczerwieni, czasami w zakresie terahercowym. Wykorzystywane są np. jako analizatory gazów.
Lasery półprzewodnikowe: zastosowanie i główne aspekty
Potężne lasery diodowe z wysokowydajnym pompowaniem elektrycznym przy umiarkowanych napięciach są wykorzystywane do zasilania wysokowydajnych laserów półprzewodnikowych.
Lasery półprzewodnikowe mogą działać w szerokim zakresie częstotliwości, w tym w zakresie widzialnym, bliskiej podczerwieni i średniej podczerwieni. Stworzono urządzenia, które pozwalają również na zmianę częstotliwości emisji.
Diody laserowe mogą szybko przełączać i modulować moc optyczną, co znajduje zastosowanie w nadajnikach światłowodowych.
Takie cechy sprawiły, że lasery półprzewodnikowe są technologicznie najważniejszym typem generatorów kwantowych. Obowiązują:
- w czujnikach telemetrycznych, pirometrach, wysokościomierzach optycznych, dalmierzach, celownikach, holografii;
- w światłowodowych systemach transmisji optycznej i przechowywania danych, spójnych systemach komunikacyjnych;
- w drukarkach laserowych, projektorach wideo, wskaźnikach, skanerach kodów kreskowych, skanerach obrazu, odtwarzaczach CD (DVD, CD, Blu-Ray);
- w systemach bezpieczeństwa, kryptografii kwantowej, automatyzacji, wskaźnikach;
- w metrologii optycznej i spektroskopii;
- w chirurgii, stomatologii, kosmetologii, terapii;
- do uzdatniania wody,obróbka materiałów, pompowanie laserowe na ciele stałym, kontrola reakcji chemicznych, sortowanie przemysłowe, inżynieria przemysłowa, systemy zapłonowe, systemy obrony powietrznej.
Wyjście impulsowe
Większość laserów półprzewodnikowych generuje wiązkę ciągłą. Ze względu na krótki czas przebywania elektronów na poziomie przewodnictwa nie nadają się one zbyt dobrze do generowania impulsów z przełączaniem dobroci, ale quasi-ciągły tryb pracy pozwala na znaczne zwiększenie mocy generatora kwantowego. Ponadto lasery półprzewodnikowe mogą być używane do generowania ultrakrótkich impulsów z blokowaniem trybu lub przełączaniem wzmocnienia. Średnia moc krótkich impulsów jest zwykle ograniczona do kilku miliwatów, z wyjątkiem pompowanych optycznie laserów VECSEL, których moc jest mierzona za pomocą wielowatowych pikosekundowych impulsów o częstotliwości kilkudziesięciu gigaherców.
Modulacja i stabilizacja
Zaletą krótkiego pobytu elektronu w paśmie przewodnictwa jest zdolność laserów półprzewodnikowych do modulacji wysokiej częstotliwości, która dla laserów VCSEL przekracza 10 GHz. Znalazła zastosowanie w optycznej transmisji danych, spektroskopii, stabilizacji laserowej.
